Holl András: Bolygórendszerek 2009 március 12., Petőfi Sándor Gimnázium

Bolygórendszerek

Holl András

A történet az 1700­as években kezdődik. Több tudós is felismert egy szabályosságot a Naprendszer akkor ismert bolygóinak Naptól való távolságában.  Johann Daniel Titius wittenbergi professzor egy általa fordított könyv szövegében írta le először a  4 (Merkúr), 4+3 (Vénusz), 4+6 (Föld), 4+12 (Mars) ... 4+48 (Jupiter) ... sort, valószínűtlennek tartva, hogy a 4+28­as távolság üresen maradt volna.  A szabályt 1768­ban átvette Titiustól Johann Elert Bode berlini csillagász ­ innen a Titius­Bode szabály elnevezés.

a = 0.4 + 0.3 * 2n, ha a Föld távolságát  egységnyinek vesszük, és n rendre a ­∞, 0, 1, 2, 3, ... értéket veszi fel

a a bolygók Naptól mért távolsága.

Bolygó n T­B távolság Valós távolság

Merkúr ­∞ 0.4 0.39

Vénusz 0 0.7 0.72

Föld 1 1 1.00

Mars 2 1.6 1.52

(Ceres) 3 2.8 2.77

Jupiter 4 5.2 5.20

Szaturnusz 5 10.0 9.54

Uránusz 6 19.6 19.2

Neptunusz 7 38.8 30.06

(Plútó) 8 77.2 39.44

A szabály fényes diadalát jelentette, hogy amikor William Herschel 1781­ben felfedezte az Uránuszt, az új bolygó távolsága a Naptól egyezett a sorozat szerint következő értékkel. Titius szabálya akkora hatást gyakorolt a kor csillagászaira, hogy Zách János Ferenc magyar származású csillagász 1800­ban a kor neves csillagászaiból megszervezte a Lilienthali Társaságot ­ Himmelspolitzei néven is emlegették ­ a "hiányzó" bolygó felkutatására. A felfedezés nem váratott soká magára: 1801 január 1.­én Giuseppe Piazzi palermói csillagász felfedezett egy halvány égitestet, ami a Ceres nevet kapta. Piazzi felfedezése után elvesztették az égitestet ­ itt kerül a történetbe Carl Friedrich Gauss, a zseniális német tudós. Gauss kidolgozott egy eljárást az égitestek pályájának kiszámítására, és a számításai alapján Zách újra meg is találta a Cerest. A Ceres pontosan olyan pályán mozgott, mint ahogy várták, a Mars és a Jupiter között. Csak egy hiba volt vele: túlságosan halvány volt ­ persze, fényeseb bolygó nem is maradhatott volna ismeretlen... Zách társasága azonban nem hagyta abba a kutatást, és Heinrich Olbers 1802­ben megtalálta a Pallast, Karl Harding 1804­ben a Júnót, majd ismét Olbers 1807­ben a Vestát. Ez már egy kicsit sok volt: egy hiányzó bolygó helyett négy. William Herschel megállapította, hogy ezek az égitestek nem lehetnek nagy méretűek, és aszteroidáknak nevezte el őket.

Néhány évtizedig ezután nem fedeztek fel újabb aszteroidákat.  A következő nagybolygó felfedezése a bolygók mozgásának tudományának, az égi mechanikának volt köszönhető. A Neptunuszt Urbain LeVerrier­nek az Uránusz mozgásában mutatkozó eltéréseken alapuló számításai alapján Johann Gottfried Galle találta meg 1846­ban. (John Couch Adams is végzett számításokat, de ezek meglehetősen elnagyoltak és pontatlanok voltak, szerepét csak utólag próbálták nagyobbítani.) Az új bolygó pályájának sugara jelentősen eltért a Titius­Bode szabály szerint várható értéktől. Diadalmaskodott a perturbációszámítás.

Időközben felfedezték az ötödik aszteroidát (kisbolygót), majd a XIX. sz. vége felé színre lépett Max Wolf, aki fotografikus módszerével hozzávetőleg harmadfélszáz kisbolygót fedezett fel, majd megduplázva az addig ismert aszteroidák számát. Nyilvánvalóvá vált, hogy a Mars és a Jupiter pályája között egy kisbolygóövezet helyezkedik el. Felmerült a kérdés, vajon itt a Jupiter zavaró hatása miatt nem tudott nagybolygóvá összeállni az anyag, vagy az itt keletkezett bolygó tört valamilyen oknál fogva darabokra?

Mára a számozott (megfelelően pontos pályaadatokkal nyilvántartott) kisbolygók száma meghaladta a 40000­et.   Az Uránusz és a Neptunusz mozgásának megfigyeléséből arra következtettek, hogy lennie kell még egy további bolygónak. Az ismeretlen külső bolygó utáni kutatás vált a Percival Lowell által az arizonai Flagstaff­ban létrehozott, a nevét viselő obszervatórium egyik fő programjává. 1930­ban Clyde Tombaugh felfedezte a Plútót. Hamarosan nyilvánvalóvá vállt, hogy túlságosan halvány, és kicsi ­ nem lehet a beljebb keringő bolygók mozgásában mutatkozó zavarok okozója. Pályája is erősen hajlik a többi bolygó pályasíkjához, és keresztezi a Neptunuszét ­ talán a Neptunusz egy megszökött holdja lehet?

A csillagászat a XVIII. században elsősorban az égitestek pozíciójának meghatározásával foglalkozott, a XIX. századra az égi mechanika ­ az égitestek mozgásának matematikai vizsgálata ­ került a középpontba, a XIX. sz. végén pedig megszületett az asztrofizika, az égitestek fizikai állapotának vizsgálata. Nyilvánvalóvá vállt, hogy a Naprendszer keletkezése az Emanuel Swedenborg, Immanuel Kant és Pierre­Simon Laplace által felvetett módon, a Nappal együtt, egy gázköd összehúzódásával keletkezett, de immár megértették a fizikáját is az alapvető folyamatoknak. Az összehúzódó gázköd a perdület megmaradása miatt belapul, a középen összehúzódó csillag körüli gázkorong pedig mágneses fékező hatással lefékezi a keletkező csillag forgását. A XX. század végére meg is figyeltek más csillagok körül protoplanetáris gázkorongokat. Megmagyarázható volt, hogy az Ősnaphoz közelebb, ahol a hőmérséklet magasabb volt, a kőzetbolygók anyagai tudtak kikristályosodni, távolabb pedig az óriásbolygókat alkotó illékonyabb elemekből is összeállhattak bolygók.

A megfigyelési technika fejlődésével a Naprendszer távolabbi régióiban is megfigyelhetővé váltak az apróbb égitestek. Rengeteg új, apró holdat fedeztek fel az óriásbolygók körül, és 1977­ben Charles Kowal felfedezte egy új égitestcsoport, a Szaturnusz és a Neptunusz pályái között keringő kentaurok első tagját, a Chiron­t. 1978­ban a Plútó (legnagyobb) holdját is felfedezték, a Charon­t.A Charon megfigyelése lehetővé tette átmérőjének és tömegének pontosabb meghatározását: nagyjából 2400 km­es, és mindössze a Hold tömegének ötödével bír. (Időközben az is kiderült az űrszondák pályaadatai alapján, hogy a külső nagybolygók pontosabb tömegértékeivel számolva nincs is szükség egy további bolygó zavaró hatását feltételezni.) 1992­ben David Jewitt és Jane Luu felfedeztek egy Neptunuszon túl keringő objektumot: az 1992 QB­t. Már korábban, elméleti megfontolásokból ­ a rövid periódusú üstökösök számából ­ következtettek arra, hogy kell legyen egy rezervoár, apró, jeges égitestekből a Neptunuszon túl (de beljebb a távoli Oort felhőnél, ahonnan a hosszú periódusú üstökösök származnak): ezt Kuiper­övnek nevezték. 

Egyre több Kuiper­övbéli objektumot fedeztek fel, egyesek nem sokkal kisebbek voltak csak a Plútónál, majd találtak akkorákat, végül nagyobbat is. Elfogadhatatlanná vállt, hogy továbbra is bolygónak tekintsék a Plútót ­ nyilvánvaló, hogy csak egy a Kuiper­öv objektumai közül. Sok objektum ­ a Plútóhoz hasonlóan ­ rezonanciában áll a Neptunusszal, úgy keringenek, hogy sohasem kerülhetnek hozzá veszélyesen közel. (Rezonancia áll fenn akkor, ha két égitest keringési ideje kis egész számok hányadosával fejezhető ki, például 2:1, vagy 3:2, mint a Neptunusz és a Plútó esetében.) Ez az oka, hogy a Plútó nem lehetett a Neptunusz holdja soha. Megint megtörtént az, ami a Mars és Jupiter közötti kisbolygókkal megtörtént: kiderült, hogy nem nagybolygóról, hanem a Naprendszer törmelékzónájáról van szó.

Az 1990­es években tökéletesedett a csillagászati megfigyelési technika odáig, hogy távoli csillagok bolygórendszereit felfedezhessék.  Először pulzárok ­ szupernóvaként felrobbant csillagok maradványai ­ körül találtak bolygókat, majd 1995­ben már egy közönséges (fősorozati) csillag, az 51 Pegasi körül fedezett fel bolygót Michel Mayor és Didier Queloz. Felfedezésükhöz spektroszkópiai technikát használtak: a csillag látóirányú periodikus elmozdulásait tudták kimutatni a színképvonalak Doppler­eltolódásából. Felfedezés felfedezést követett, az ismert exobolygók száma  e cikk írásakor elérte a 340­et.

Az ismert exobolygók, exobolygórendszerek között alig akad olyan, ami a Naprendszerre hasonlítana: könnyebb azokat a rendszereket kimutatni, ahol nagyobb bolygók keringenek a csillagukhoz sokkal közelebb. De a Föld­típusú bolygók, Naprendszerhez közelebb álló bolygórendszerek kimutatása remélhetőleg nem fog sokáig váratni magára: a már üzemelő, és a hamarosan induló űreszközök már képesek lehetnek ezek felfedezésére. Az 51 Pegasi bolygója, a jelenleg ismert exobolygók jelentős részéhez hasonlóan a csillagához igen közel keringő óriásbolygó, "Forró Jupiter". Ilyen közel csillagukhoz nem keletkezhettek, és nem is maradhatnak meg huzamos időn keresztül. Az exobolygórendszerek felfedezésével meg kellett vizsgálni a lehetséges mechanizmusokat, hogyan vándorolhatnak a bolygók keletkezési helyüktől nagy távolságra? 

A választ az égi mechanika adja. A rendszerben lévő kisebb égitestekkel találkozó nagybolygók azokat kilökik, maguk pedig energiát veszítve közelebb kerülnek csillagukhoz. A bolygórendszerben vándorló égitestek pályája rezonanciák kialakulásával stabilizálódhat. Vannak "jó" és "rossz" rezonanciák. A rossz rezonanciák miatt találhatók üres zónák a fő kisbolygóövben, a jó rezonanciák viszont stabil állapotok kialakulásához vezethetnek, mint a Trójai vagy a Hilda családhoz tartozó kisbolygók esetében. A bolygórendszerek törmelékzónái kialakulásában fontos szerepe lehet a nagybolygók kis égitesteket kisöprő és terelő hatásának. A bolygók egymástól való távolsága is vándorlásuk során, a rezonanciák hatására stabilizálódhat.

Ezzel visszaértünk a történet kezdetéhez: a Titius­Bode szabály mégsem a véletlen játéka. A kígyó a farkába harap.

Irodalom, URL­ek

Bode, Johann Elert: Allgemeine Betrachtungen über das Weltgebaude, 1812, Berlin, 62. o.

Petrovay Kristóf: A Naprendszer keletkezése, 2007, Meteor csillagászati évkönyv 2008, 207. o.

Sándor Zsolt: Rezonanciák bolygórendszerekben, 2004, Meteor csillagászati évkönyv 2005, 244. o.

Szatmáry Károly: Bolygók felfedezése más csillagok körül,http://astro.u­szeged.hu/ismeret/exo/extrasol.html

The Extrasolar Planets Encyclopaediahttp://exoplanet.eu/

Vargha Domokosné: Zách János Ferenc, csillagász (1754­1832), 2003, Magyar Tudománytörténeti Társaság, Piliscsaba

Az ábrák a Wikipedia­ból származnak, illetve Bode könyvéből, és Zách Monatliche Correspondenz­éből.